Wie viel Wasser wird durch Elektrolyse verbraucht?

Wie viel Wasser wird durch Elektrolyse verbraucht

Schritt eins: Wasserstoffproduktion

Der Wasserverbrauch entsteht in zwei Schritten: der Wasserstoffproduktion und der vorgelagerten Energieträgerproduktion. Bei der Wasserstoffproduktion beträgt der Mindestverbrauch an elektrolysiertem Wasser etwa 9 Kilogramm Wasser pro Kilogramm Wasserstoff. Unter Berücksichtigung des Demineralisierungsprozesses des Wassers kann dieses Verhältnis jedoch zwischen 18 und 24 Kilogramm Wasser pro Kilogramm Wasserstoff oder sogar zwischen 25,7 und 30,2 Kilogramm liegen..

 

Für den bestehenden Produktionsprozess (Methandampfreformierung) beträgt der Mindestwasserverbrauch 4,5 kgH2O/kgH2 (für die Reaktion erforderlich). Unter Berücksichtigung von Prozesswasser und Kühlung beträgt der Mindestwasserverbrauch 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.

 

Schritt 2: Energiequellen (erneuerbarer Strom oder Erdgas)

Ein weiterer Faktor ist der Wasserverbrauch zur Erzeugung von erneuerbarem Strom und Erdgas. Der Wasserverbrauch von Photovoltaikanlagen liegt zwischen 50 und 400 Litern/MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2) und der von Windkraftanlagen zwischen 5 und 45 Litern/MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Ebenso kann die Gasproduktion aus Schiefergas (basierend auf US-Daten) von 1,14 kgH2O/kgH2 auf 4,9 kgH2O/kgH2 gesteigert werden.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der durchschnittliche Gesamtwasserverbrauch von Wasserstoff aus Photovoltaik und Windkraft etwa 32 bzw. 22 kgH2O/kgH2 beträgt. Unsicherheiten ergeben sich aus der Sonneneinstrahlung, der Lebensdauer und dem Siliziumgehalt. Dieser Wasserverbrauch liegt in der gleichen Größenordnung wie bei der Wasserstoffproduktion aus Erdgas (7,6–37 kgH2O/kgH2, mit einem Durchschnitt von 22 kgH2O/kgH2).

 

Gesamtwasser-Fußabdruck: Geringer bei Nutzung erneuerbarer Energien

Ähnlich wie bei den CO2-Emissionen ist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen eine Voraussetzung für einen geringen Wasserfußabdruck bei Elektrolyseverfahren. Wird nur ein kleiner Teil des Stroms mit fossilen Brennstoffen erzeugt, ist der mit dem Strom verbundene Wasserverbrauch deutlich höher als der tatsächliche Wasserverbrauch bei der Elektrolyse.

 

Beispielsweise kann die Gasstromerzeugung bis zu 2.500 Liter/MWh Wasser verbrauchen. Dies ist auch der beste Fall für fossile Brennstoffe (Erdgas). Berücksichtigt man die Kohlevergasung, kann die Wasserstoffproduktion 31–31,8 kgH2O/kgH2 und die Kohleproduktion 14,7 kgH2O/kgH2 verbrauchen. Auch der Wasserverbrauch von Photovoltaik und Windkraft dürfte mit der Zeit sinken, da die Herstellungsprozesse effizienter werden und die Energieausbeute pro installierter Kapazitätseinheit steigt.

 

Gesamtwasserverbrauch im Jahr 2050

Es wird erwartet, dass die Welt künftig um ein Vielfaches mehr Wasserstoff verbrauchen wird als heute. So schätzt der World Energy Transitions Outlook der IRENA, dass der Wasserstoffbedarf im Jahr 2050 bei etwa 74 EJ liegen wird, wovon etwa zwei Drittel aus erneuerbarem Wasserstoff stammen werden. Zum Vergleich: Heute liegt der Bedarf (reiner Wasserstoff) bei 8,4 EJ.

 

Selbst wenn elektrolytischer Wasserstoff den gesamten Wasserstoffbedarf bis 2050 decken könnte, läge der Wasserverbrauch bei etwa 25 Milliarden Kubikmetern. Die folgende Abbildung vergleicht diesen Wert mit anderen vom Menschen verursachten Wasserverbrauchsströmen. Die Landwirtschaft verbraucht mit 280 Milliarden Kubikmetern den größten Wasserverbrauch, die Industrie fast 800 Milliarden Kubikmeter und Städte 470 Milliarden Kubikmeter. Der aktuelle Wasserverbrauch der Erdgasreformierung und Kohlevergasung zur Wasserstoffproduktion beträgt etwa 1,5 Milliarden Kubikmeter.

Obwohl aufgrund veränderter Elektrolytprozesse und steigender Nachfrage mit einem hohen Wasserverbrauch zu rechnen ist, wird der Wasserverbrauch aus der Wasserstoffproduktion dennoch deutlich geringer sein als der anderer vom Menschen genutzter Wassermengen. Ein weiterer Anhaltspunkt ist der Pro-Kopf-Wasserverbrauch zwischen 75 (Luxemburg) und 1.200 (USA) Kubikmetern pro Jahr. Mit durchschnittlich 400 Kubikmetern pro Kopf und Jahr entspricht die gesamte Wasserstoffproduktion im Jahr 2050 der eines Landes mit 62 Millionen Einwohnern.

 

Wie viel Wasser kostet und wie viel Energie verbraucht wird

 

kosten

Elektrolytische Zellen benötigen hochwertiges Wasser und müssen entsprechend aufbereitet werden. Wasser von geringerer Qualität führt zu schnellerer Degradation und kürzerer Lebensdauer. Viele Elemente, darunter Membranen und Katalysatoren in alkalischen Lösungen sowie die Membranen und porösen Transportschichten von PEMs, können durch Wasserverunreinigungen wie Eisen, Chrom, Kupfer usw. beeinträchtigt werden. Die Wasserleitfähigkeit muss unter 1 μS/cm und der Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff unter 50 μg/l liegen.

 

Wasser macht einen relativ geringen Anteil des Energieverbrauchs und der Kosten aus. Das Worst-Case-Szenario für beide Parameter ist die Entsalzung. Die Umkehrosmose ist die wichtigste Entsalzungstechnologie und deckt fast 70 Prozent der weltweiten Kapazität ab. Die Technologie kostet 1900 bis 2000 US-Dollar pro Kubikmeter pro Tag und hat eine Lernkurve von 15 %. Bei diesen Investitionskosten betragen die Aufbereitungskosten etwa 1 US-Dollar pro Kubikmeter und können in Gebieten mit niedrigen Stromkosten niedriger ausfallen.

 

Darüber hinaus steigen die Transportkosten um etwa 1–2 US-Dollar pro Kubikmeter. Selbst in diesem Fall betragen die Kosten für die Wasseraufbereitung etwa 0,05 US-Dollar pro kg Wasserstoff. Zum Vergleich: Die Kosten für erneuerbaren Wasserstoff können bei Verfügbarkeit guter erneuerbarer Ressourcen 2–3 US-Dollar pro kg Wasserstoff betragen, während die Kosten für die durchschnittliche Ressource 4–5 US-Dollar pro kg Wasserstoff betragen.

 

In diesem konservativen Szenario würden die Wasserkosten also weniger als 2 Prozent der Gesamtkosten ausmachen. Durch die Nutzung von Meerwasser kann die Menge des zurückgewonnenen Wassers um das 2,5- bis 5-fache (gemessen am Rückgewinnungsfaktor) erhöht werden.

 

Energieverbrauch

Betrachtet man den Energieverbrauch der Entsalzung, so ist dieser im Vergleich zu der für die Elektrolysezelle benötigten Strommenge ebenfalls sehr gering. Die derzeit in Betrieb befindliche Umkehrosmoseanlage verbraucht etwa 3,0 kW/m³. Thermische Entsalzungsanlagen haben dagegen einen viel höheren Energieverbrauch, der zwischen 40 und 80 kWh/m³ liegt, wobei der zusätzliche Strombedarf je nach Entsalzungstechnologie zwischen 2,5 und 5 kWh/m³ liegt. Nehmen wir den konservativen Fall (d. h. höheren Energiebedarf) eines Blockheizkraftwerks als Beispiel und gehen wir von der Nutzung einer Wärmepumpe aus, so ergäbe sich der Energiebedarf auf etwa 0,7 kWh/kg Wasserstoff. Zum Vergleich: Der Strombedarf der Elektrolysezelle beträgt etwa 50–55 kWh/kg. Selbst im schlimmsten Fall beträgt der Energiebedarf der Entsalzung also etwa 1 % der gesamten in das System eingegebenen Energie.

 

Eine Herausforderung der Entsalzung ist die Entsorgung von Salzwasser, die Auswirkungen auf die lokalen Meeresökosysteme haben kann. Diese Sole kann weiter aufbereitet werden, um ihre Umweltbelastung zu reduzieren, was die Wasserkosten um weitere 0,6 bis 2,40 US-Dollar pro Kubikmeter erhöht. Zudem sind für elektrolytisches Wasser höhere Qualitätsanforderungen als für Trinkwasser zu stellen, was zu höheren Aufbereitungskosten führen kann. Diese dürften jedoch im Vergleich zum Energieaufwand gering ausfallen.

Der Wasserverbrauch von Elektrolytwasser zur Wasserstoffproduktion ist ein sehr spezifischer Standortparameter, der von der lokalen Wasserverfügbarkeit, dem Verbrauch, der Degradation und der Verschmutzung abhängt. Das Gleichgewicht der Ökosysteme und die Auswirkungen langfristiger Klimatrends sollten berücksichtigt werden. Der Wasserverbrauch wird ein großes Hindernis für die Ausweitung der Nutzung von erneuerbarem Wasserstoff darstellen.